JP4014730B2

JP4014730B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4014730B2
Application number: JP17083598A
Authority: JP
Inventors: 洋一八木; 克徳青木
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-06-18
Filing date: 1998-06-18
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2018-06-18
Also published as: JP2000012060A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システム、特に改質器からの改質ガスを燃料とする燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車など可般用燃料電池システムに供給される燃料（水素ガス）の供給方法としては、水素ボンベや水素貯蔵合金等に蓄えた水素を用いる場合もあるが、改質器を用いてメタノール等の化石燃料から水素リッチな改質ガスを生成し、それを水素ガスとして用いる場合がある。
このような改質器を用いた燃料電池システムにおいて、改質器システムの起動時間（すなわち改質ガスが発生するまでの時間）は、もっとも起動時間の長い改質器の温度上昇時間によって決まる。その理由は、改質器を構成する気化器や改質触媒等が或る温度まで上昇して活性化するまでは、水素を発生させるための燃料を供給することができないためである。上記起動時間を短縮するため、従来は改質器内部に加熱器や電熱器を組み込んで改質器温度を上昇させる方法（特開平９−６３６１８号公報）や、内部燃焼器で温度上昇用の燃料を燃やして得た熱エネルギーで改質器の温度上昇を図る方法（特開平３−１９２６６１号公報、特開平５−３０４３号公報）などが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように改質器の起動時間を短縮する方法は従来から種々提案されているが、自動車など車両搭載用の燃料電池システムの改質器においては、従来方法では未だ不十分であり、起動時間を更に短縮する必要がある。
【０００４】
本発明は上記のごとき従来技術の問題を解決するためになされたものであり、起動時間の短い改質器を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、請求項１に記載のように、燃料電池に空気を供給する空気圧縮機から送出される空気を所望の空気温度に制御して改質器に供給し、改質器起動時の加熱手段として使用するものである。
空気圧縮機から送出される空気の温度を制御する方法としては、次のような方法がある。まず第１の方法としては、請求項２に記載のように、圧縮機を燃料電池システム運転としては必ずしも最高効率点ではない、より高圧側にシフトさせた運転点で運転し、これによって高い吐出空気温度を得る方法である。すなわち空気の断熱圧縮により、内部エネルギーを増加させて高い空気温度を得ることが出来る。
【０００６】
第２の方法としては、請求項３に記載のように、空気圧縮機の吐出路と吸入路を連結する循環流路を設け、改質器の起動時には循環流路を開通させて吐出空気の一部を吸入路に戻すことにより、吐出空気の温度を上昇させることが出来る。
以上の２つの方法は、それを組み合わせて同時に行なうことができる。また、各々を従来の改質器起動時加熱手段すなわち改質器内部に加熱器や電熱器を組み込んで改質器温度を上昇させる方法や、内部燃焼器で温度上昇用の燃料を燃やして得た熱エネルギーで改質器の温度を上昇させる方法と組み合わせて実施することもできる。
【０００７】
また、請求項４に記載のように、改質器を所望の運転温度に昇温せしめた後、切り替え手段と燃料電池間に設けた冷却手段（インタークーラ）によって所望の温度値に制御した空気を、燃料電池側に切り替えて、燃料電池のカソード極に供給することにより、通常の燃料電池運転モードにすることが出来る。
【０００８】
【発明の効果】
本発明においては、改質器を用いた燃料電池システムにおいて、改質器の起動時に空気圧縮機の送出する空気温度を上昇させ、その高温空気を利用することにより、改質器起動時の温度上昇を促進させて起動時間を短縮することが出来る、という効果が得られる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態を示す模式図である。この実施の形態は、空気圧縮機としてターボ式圧縮機を、改質器として水蒸気法改質器を、燃料電池として高分子膜型燃料電池を構成要素とする改質器型燃料電池システムの例であり、起動用予備加熱手段としては本発明の他に内部燃焼器で温度上昇用の燃料を燃やして得た熱エネルギーで改質器の温度上昇を図る方法を併用している。
【００１０】
図１において、１はターボ式の空気圧縮機、２は水蒸気法の改質器、３は燃料電池本体、４は空気圧縮機１からの空気を燃料電池本体３と改質器２とに切り替えて供給する流路切り替え器、５は空気圧縮機１から改質器２への流路に設けられたバルブ、６は空気圧縮機１からの温度の上昇した空気を適温まで冷却して燃料電池本体３へ供給するインタークーラである。また、７は上記の燃料電池システムを制御する制御手段であり、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータで構成される。なお、空気圧縮機１の送出する空気温度、改質器２の温度（特に触媒温度）、燃料電池本体３の空気入り口（インタークーラ６の出口）温度などを計測する温度センサが設けられているが、それらは表示を省略している。
【００１１】
上記の水蒸気法の改質器とは、燃料（例えばメタノール）と水とを混合したものを触媒で反応させて水素を発生するもの方式の改質器である。そして改質器２は内部燃焼器を備え、この改質器２から燃料電池本体３へ送った水素の一部（過剰分）またはメタノールを上記内部燃焼器へ戻して燃焼させ、それによって改質器の温度を上昇させる機能も備えている。このような内部燃焼器を備えた改質器としては、例えば特開平９−６３６１８号公報に記載されたものがある。なお、改質器２で発生させた水素を送出する場合には、燃料電池に適した温度まで冷却してから燃料電池本体３へ供給する。
【００１２】
本実施の形態においては、起動時には空気圧縮機１を制御して、送出する空気の温度を上昇させ、かつ流路切り替え器４を改質器側へ切り替えると共にバルブ５を開いて上記高温の空気を改質器２へ供給し、それによって改質器２の温度を急速に上昇させるものである。
【００１３】
空気圧縮機１から送出される空気の温度を上昇させる方法としては、次のごとき方法を用いている。すなわち、空気圧縮機１を燃料電池システム運転としては必ずしも最高効率点ではない、より高圧側にシフトさせた運転点で運転し、これによって高い吐出空気温度を得る方法である。このように空気の断熱圧縮により、内部エネルギーを増加させて高い空気温度を得ることが出来る。そしてこの高温度の空気を改質器２に供給（詳細後述）することにより、改質器起動時間を短縮することができる。
【００１４】
空気圧縮機１からの吐出空気温度Ｔ２は下記（数１）式で与えられる。
Ｔ２＝Ｔｌ〔（１／η）（π⁽ ^κ ^-1)/ ^κ −１）＋１〕 …（数１）
ただし、π＝Ｐ２／Ｐｌ
π：圧力比、Ｐ１：吸入空気圧力、Ｐ２：吐出空気圧力、Ｔ１：吸入空気温度、 κ：比熱比、η：空気圧縮機の断熱効率
例えば、吸入空気温度Ｔ１＝３０℃で圧力比π＝３程度にすると、空気圧縮機１の効率を７０％程度として、吐出空気温度Ｔ２は約２００℃となる。改質器２内の触媒の作動時温度は、例えばメタノールを燃料とする水蒸気法改質器では３００〜３５０℃であるが、改質器起動用加熱手段としては２００℃程度の空気であれば使用でき、改質器２の昇温速度を速めることができる。さらに所望の起動時間とするには、改質器２の温度上昇をモニタして、空気圧縮機１の圧力比を所望の温度となるように運転点を決めればよい。上記のごとき制御は、制御装置７からの制御信号によって行なわれる。
【００１５】
図２は、使用する空気圧縮機がターボ式圧縮機の場合における圧力比と流量との関係を示す性能曲線図である。図２に示すように、モータの回転数を上げることによって圧縮比を上げて、空気圧縮機の運転点を変えることができる。
図２に示したように、空気圧縮機の運転点を高圧力側に変更し、比較のために、圧力比π＝１.５の場合と圧力比π＝３の場合で空気圧縮機を動作させて、改質器２が混合ガスを発生できるための反応温度である３００℃までに改質器温度が上昇するまでの時間を比較したところ、圧力比π＝３で運転した場合の所要時間は圧力比π＝１.５で運転した場合に比べ、約３０％程度短縮された。
【００１６】
また、使用する空気圧縮機が可変ストロークタイプのピストン式圧縮機の場合には、仕切り板角度等によりピストンのストローク量を変えることにより、空気圧縮機の運転点（圧縮比）を変えることができる。
【００１７】
図３は、水蒸気法改質器の概略を示す模式図である。図３に示すように、水蒸気法改質器は、メタノールと水の混合液を気化部１３へ送って気化させ、気化した気体を改質部（触媒）１２へ送って反応させ、それによって得られたＨ₂とＣＯの混合ガスをガス生成部１１に通して水素リッチなガスを得るようになっている。そして従来例の説明に記載したように、通常は起動時に燃料となるメタノールを酸化触媒で燃焼させて得た熱を、ガス生成部１１、改質部１２、気化部１３の各ユニットに導入して改質器全体の温度を上げ、改質器を起動するようになっている。本発明においては、前記のように空気圧縮機１の動作点を変更することによって得た高温空気を、改質器２内のガス生成部１１、改質部１２、気化部１３の各ユニットに導入して改質器全体の温度を上げ、改質器を起動するものである。
【００１８】
図３において、（Ａ）はガス生成部１１、改質部１２、気化部１３の順に直列に高温空気を与える構成、（Ｂ）は上記各ユニットに並列に高温空気を与える構成を示す。なお、空気圧縮機１から導入する高温空気は、上記各ユニットの加熱用であるから、上記各ユニット内を流れるメタノールやガスとは接触しないようにすることは当然である。例えば触媒等の反応部の外壁に接して高温空気の流路を設ければよい。
【００１９】
また、前記のように、従来の改質器起動時加熱手段すなわち改質器内部に加熱器や電熱器を組み込んで改質器温度を上昇させる方法や、内部燃焼器で温度上昇用の燃料を燃やして得た熱エネルギーで改質器の温度を上昇させる方法と組み合わせて実施することができる。
【００２０】
また、改質器起動時には燃料電池本体冷却用の冷却水供給は停止させ、また、燃料電池をバイパスする空気供給路は断熱材で覆っておくことにより、空気温度を低下させないようにする。
【００２１】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に用いる空気圧縮機を示す模式図である。図４に示すように、空気圧縮機１の空気吸入路８と吐出路９を連結する循環流路を設け、この流路に設けた循環用バルブ１０を開けることにより、吐出側から吸入側に空気を循環することによって吐出空気温度を上昇させることができる。改質器の起動時に改質器が必要とするものは高温度の空気であって高圧力の空気ではない。したがって、効率を一時的に積極的に低下させて吐出空気温度を上昇させる方法を用いることが出来る。効率を一時的に低下させる具体的な方法としては図４に示したように、吐出路９と吸入路８をバイパス通路で連結し、そこに設けた循環用バルブ１０を開けることにより、吐出側から吸入側に高温空気が再循環する。この際、圧縮機効率は低下するものの、吐出温度は上昇する。これにより改質器加熱用の高温空気を供給し、改質器の昇温速度を速めることができる。当然のことながら、循環バルブ１０を閉じれば、通常の空気圧縮機として作動することになる。
【００２２】
なお、第１の実施の形態に示した空気圧縮機１の運転点を変えることによって吐出空気温度を上昇させる方法と、上記第２の実施の形態で説明した方法とは、両方を同時に行なうこともできる。また、図３で説明した事項は第２の実施の形態でも同様である。
【００２３】
また、第１、第２の実施の形態で説明した方法と、従来の改質器起動時加熱手段すなわち改質器内部に加熱器や電熱器を組み込んで改質器温度を上昇させる方法や内部燃焼器で温度上昇用の燃料を燃やして得た熱エネルギーで改質器の温度上昇させる方法（図１に記載）と、を組み合わせて実施することもできる。
【００２４】
次に、図５は、制御装置７における制御内容の一部を示すフローチャートであり、改質器２を所望の運転温度に昇温せしめたあと、空気圧縮機１と燃料電池本体３との間に設けたインタークーラ６による冷却によって所望の温度値に制御した空気を燃料電池本体３のカソード極に供給する際の制御を示す。
【００２５】
図５において、まず、ステップＳ１では、改質器２の温度が所望の運転温度ｔ１に達したか否かを判断する。そして“ｎｏ”の場合には起動時の昇温動作を継続し、“ｙｅｓ”の場合にはステップＳ２で混合ガス（改質ガス）が発生したか否かを判断し、“ｙｅｓ”の場合にはステップＳ３で空気圧縮機１の運転点を通常の運転点に変更する。なお、上記の運転温度ｔ１は例えば３００〜３５０℃程度の値である。また、ステップＳ２においては、望ましくは、単に混合ガスの発生を判断するのではなく、所望の発電量に対応する混合ガス流量を確認した時点で“ｙｅｓ”とする。
【００２６】
次に、ステップＳ４では、空気圧縮機１と燃料電池本体３との間に設けられたインタークーラ６の冷却水に循環させ、燃料電池本体３へ送られる空気を冷却することが出来る状態に準備する。なお、インタークーラ６の冷却循環水量を制御して空気温度を最適温度に制御することも可能である。
【００２７】
次に、ステップＳ５とＳ６では、燃料電池本体３のカソード極の空気入り口温度が所定の安全温度ｔ２以下になったか否かを判断し、燃料電池カソード極の空気入り口温度が所定値ｔ２を越えないように制御しながら、流路切り替え器４を制御して徐々に流路を切り替えて、最終的にはステップＳ７に示すように流路切り替え器４を燃料電池本体３側に切り替え、燃料電池に空気を供給する。このような操作を行なうことにより、燃料電池に高温の空気が流入することを防ぎ、通常の運転に差し支えないようにすることできる。
【００２８】
上記のように、図５の制御を行なうことにより、温度制御された高温空気を改質器側から燃料電池側へ切り替えを行い、本燃料電池システムを安全に運転することができる。
なお、燃料電池本体３のカソード極に供給される空気温度を冷却するのは、電解質である固体高分子膜の熱的損傷を防ぐため、および供給空気が燃料電池本体の動作温度より高温である場合には空気中の水分の凝縮を引き起こし、その結果、燃料電池ガス流路内部での水詰りによる性能低下（電圧低下）を引き起こすことを防ぐためである。通常の固体高分子膜型燃料電池では、上記の動作温度は９０℃程度である。
【００２９】
また、本発明に使用される燃料電池としては、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池などがあるが、出力密度の大きさや可搬性などを考慮した場合には、固体高分子型燃料電池が適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における全体の構成を示す模式図。
【図２】空気圧縮機がターボ式圧縮機の場合における圧力比と流量との関係を示す性能曲線図。
【図３】改質器に高温空気を供給する構成の一例を示す模式図。
【図４】本発明の第２の実施の形態における空気圧縮機の構成を示す模式図。
【図５】本発明の燃料電池システムにおける空気圧縮機の高温空気を改質器側から燃料電池側へ切り替える際の制御を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…ターボ式の空気圧縮機２…改質器
３…燃料電池本体４…流路切り替え器
５…バルブ６…インタークーラ
７…制御装置８…空気吸入路
９…空気吐出路１０…循環用バルブ
１１…ガス生成部１２…改質部
１３…気化部

Claims

炭化水素化合物を改質反応に供して水素リッチガスに改質する改質器と、燃料電池本体へ空気を供給する空気圧縮機と、を備えた燃料電池システムであって、
上記空気圧縮機から上記改質器へ空気を送風する流路と、
上記空気圧縮機から吐出する空気を上記燃料電池本体と上記改質器との何れかへ切り替えて送風する切り替え手段と、
上記改質器の起動時に、上記空気圧縮機から吐出する空気の温度が所定温度まで上昇するように上記空気圧縮機を制御し、かつ、上記切り替え手段を上記改質器側へ空気を送るように切り替え制御する制御手段と、
を備え、空気圧縮機からの高温空気を用いて改質器起動時の温度上昇を促進させ、起動時間を短縮させたことを特徴とする燃料電池システム。
上記制御手段は、改質器起動時には、上記空気圧縮機の運転点を、通常運転時よりも高圧力比の方向へ変更することにより、吐出空気温度を上昇させるものである、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
炭化水素化合物を改質反応に供して水素リッチガスに改質する改質器と、燃料電池本体へ空気を供給する空気圧縮機と、を備えた燃料電池システムであって、
上記空気圧縮機から上記改質器へ空気を送風する流路と、
上記空気圧縮機から吐出する空気を上記燃料電池本体と上記改質器との何れかへ切り替えて送風する切り替え手段と、
上記空気圧縮機の吐出路と吸入路を連結する循環流路と、
上記改質器の起動時に、上記切り替え手段を上記改質器側へ空気を送るように切り替え制御し、かつ上記循環流路を開通させて吐出空気の一部を吸入路に戻すことにより、吐出空気の温度を上昇させるように制御する制御手段と、
を備え、空気圧縮機からの高温空気を用いて改質器起動時の温度上昇を促進させ、起動時間を短縮させたことを特徴とする燃料電池システム。
上記切り替え手段と上記燃料電池本体間に設けた冷却手段を備え、
上記制御手段は、上記改質器の起動時に上記改質器が所望の運転温度に昇温されたことを検出した後、上記空気圧縮機を通常運転状態に変更し、かつ上記冷却手段を動作させ、上記切り替え手段を上記燃料電池本体側へ切り替えて吐出空気を冷却させることにより、所望の温度値に制御した空気を上記燃料電池本体のカソード極に供給するように制御するものである、ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の燃料電池システム。